11 mars 2010 à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne : Perennité des circuits et appareillages
en acier inoxydable
organisée par le CEM, l'ARDi Rhône-Alpes et le pôle d'activité CASIMIR, avec le soutien du CEFRACOR et du pôle d'activité VIAMECA
Cette journée, organisée conjointement par le Cercle d’Etudes des Métaux, le Département Maîtrise des Matériaux de l’ARDI Rhône Alpes
et le Pôle Technologique CASIMIR d’Auvergne, avec le soutien du CEFRACOR et du Pôle de Compétitivité VIAMECA, a rassemblé environ
60 personnes, dont une forte majorité (78%) des régions Rhône Alpes et Auvergne. Par ailleurs, les participants appartenaient pour
40% au domaine de l’industrie (producteurs et utilisateurs d’aciers inoxydables), pour 15% aux centres universitaires et pour 45%
aux centres techniques et institutionnels
Le programme comprenait dans une première partie un retour d’expérience avec des exemples typiques de corrosion sur des réseaux de tuyauteries
véhiculant des eaux normales (25 à 30mg par litre de chlorures), corrosion fortement influencée par les films bactériens. Le phénomène prédominant
de corrosion, la piqûre, a été clairement montré en terme d’amorçage et de propagation avec l’influence des résiduels et éléments d’alliage. Une
attention toute particulière a été apportée à l’élément chrome qui est favorable pour l’amorçage des piqûres, mais plutôt défavorable pour la
propagation et la formation de crevasses. Ce retour d’expérience a été complété par une étude de cas concernant les établissements thermaux
utilisant des réseaux en acier inoxydable. Le phénomène de « rouging », qui intéresse en particulier l’industrie pharmaceutique au contact de
l’eau ultra pure a été également décrit, avec la nécessité pour éviter ce phénomène de bien maîtriser l’état de surface initial de l’acier
inoxydable, et de privilégier le travail en milieu aéré
La journée s’est poursuivie avec l’exploitation des bases de données et la description des systèmes experts en corrosion. Il s’agit en fait de programmes informatiques destinés à résoudre, par des non spécialistes, des problèmes avec un cheminement de pensée comparable à celui d’un expert. Leur but est de pallier la rareté ou la perte de l’expertise humaine dans une entreprise, ou la nécessité d’une expertise sur plusieurs sites ou en milieu hostile.
La deuxième partie de la journée a été consacrée, tout d’abord, à l’approfondissement des mécanismes de corrosion par piqûre et par crevasse, puis à l’influence des flores bactériennes sur la formation des biofilms, avec modification de la composition du milieu et accélération de la corrosion par couplage entre zones aérées et non aérées. Il a été évoqué ensuite les problèmes de soudage et les risques apportés par la méconnaissance des règles en termes de conditions de soudage pour chaque famille d’aciers inoxydables et parachèvement des soudures (traitement thermique post soudage, décapage, passivation).
La journée s’est terminée par deux conférences sur les évolutions des aciers inoxydables. Il a été d’abord évoqué la famille des duplex dont l’intérêt est certain par rapport aux aciers austénitiques en termes de caractéristiques mécaniques, résistance à la corrosion par piqûre et à la corrosion sous contraintes. De nouvelles familles de duplex dits économiques, moins alliées que les nuances duplex classiques, facilement mises en œuvre par déformation à chaud et à froid, trouvent leur utilisation dans les circuits de distribution d’eau. La dernière conférence a été relative à de nouveaux aciers austénitiques avec forte teneur en azote et remplacement de tout ou partie du nickel par du manganèse. Ces aciers, développés avec un contrôle rigoureux de la propreté inclusionnaire, trouvent leur application dans le domaine biomédical pour les prothèses orthopédiques. Il est possible d’envisager, avec une substitution partielle du nickel, une utilisation de ces aciers dans les circuits de distribution d’eau, notamment pour les pièces d’assemblage nécessitant de bonnes caractéristiques mécaniques.
Des discussions qui ont suivi les conférences, il a pu être dégagé un certain nombre de remarques qui méritent d’être signalées :
- tout d’abord une absolue nécessité d’avoir un document de base sous la forme d’une synthèse des différents problèmes de corrosion rencontrés, dans l’esprit de ce qui a été présenté dans la première partie de la journée ;
- le besoin d’une rencontre entre concepteurs et experts avant de démarrer la réalisation de circuits et appareillages en acier inoxydable ;
- le développement des systèmes experts pour assister les bureaux d’études.
29 avril 2010 à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne :
Les verres métalliques, des matériaux aux propriétés exceptionnelles en voie d’industrialisation
organisée par le CEM et l'ARDI Rhône-Alpes avec le soutien du pôle de compétitivité VIAMECA
Cette journée organisée à l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint Etienne (Espace Fauriel) par le Cercle d’Etudes des Métaux et le
Département Maîtrise des Matériaux de l’ARDI Rhône Alpes avec le soutien du Pôle de Compétitivité Viameca a rassemblé une quarantaine de
personnes réparties équitablement entre industriels d’une part et centres techniques, universitaires et institutionnels d’autre part.
Son but était de montrer les progrès réalisés depuis quelques années dans le domaine des verres métalliques, matériaux découverts depuis
un demi siècle qui ont suscité dès le début de leur existence un très vif intérêt, mais dont les difficultés de réalisation et la grande
fragilité ont fortement ralenti le développement industriel, à l’exception de rubans d’alliages pour transformateurs de puissance et de
fibres d’alliages base fer pour le renforcement des bétons, ainsi que de quelques composants pour articles de sport. De nouveaux verres
métalliques ont vu le jour au début des années 2000 avec un abaissement conséquent de la vitesse critique de refroidissement et une
amélioration des caractéristiques de ductilité, ce qui a ouvert de nouveaux domaines d’application dans l’industrie de la mécanique,
aussi bien à l’état massif que sous forme de revêtement.
La première séance de travail a été consacrée aux verres métalliques massifs. L’exposé introductif a présenté les propriétés générales et les applications industrielles des verres métalliques de
la première génération, notamment les matériaux base fer utilisés sous forme de fibres pour le renfort des bétons ou de rubans pour des
applications magnétiques. Les deux exposés suivants ont présenté la seconde génération de verres métalliques susceptibles d’être réalisés
sous forme massive (format A4, épaisseur 3mm) par la technique de creuset froid et déformés à chaud. Cette capacité de déformation à chaud
des verres métalliques de nouvelle génération a été mise à profit pour développer des procédés d’assemblage avec un alliage métallique
traditionnel (par exemple des alliages d’aluminium) par co-pressage ou co-extrusion, pour réaliser ainsi des multimatériaux à la carte.
L’exposé suivant a présenté les propriétés mécaniques des verres métalliques actuels, avec des niveaux de ténacité comparables à ceux des
métaux cristallisés, notamment pour les matériaux base zirconium, des rapports limite d‘endurance/résistance mécanique voisins de 0,5, sous
réserve d’un très bon état de surface et de basses teneurs en résiduels comme l’oxygène. Cependant, les verres métalliques massifs sont
caractérisés par une absence de plasticité macroscopique lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations simples comme la traction, la compression
ou la flexion, ce qui est un frein à leur utilisation comme matériau de structure. L’exposé suivant a montré la bimodalité des capacités
d’amortissement des verres métalliques selon la température, avec une faible capacité comparable à celle des céramiques à basse température
et une forte capacité au voisinage de la température de transition vitreuse, c’est à dire vers 400°C pour les alliages base zirconium.
Le dernier exposé de la matinée a montré les bonnes propriétés tribologiques des verres métalliques, à l’état amorphe ou avec un taux contrôlé
de précipités nanocristallisés, en prenant comme exemple des verres à base d’aluminium obtenus sous forme de rubans à très forte vitesse de
refroidissement.
La deuxième séance de travail a été consacrée aux verres métalliques obtenus par traitement superficiel. Le premier exposé a présenté
les possibilités offertes par la projection thermique. Il est possible d’obtenir, par technique HVOF ou projection dynamique à froid,
des revêtements amorphes ou partiellement nanocristallisés et l’exemple présenté a été relatif aux alliages FeSi ou FeNb utilisés pour
leurs bonnes propriétés magnétiques. Des poudres amorphes, de granulométrie comprise entre 20 et 100µm, donc compatibles avec les techniques
de projection thermique, peuvent être obtenues par atomisation. Les deux exposés suivants ont été consacrés aux techniques d’implantation et
de mélange ionique. Dans les deux cas, les chocs provoqués par les ions incidents (azote ou gaz rares) engendrent des cascades atomiques de
très courte durée à une température de plusieurs milliers de °C et donnent naissance à des zones amorphes de quelques nanomètres.
Cette amorphisation de surface se prolonge à l’intérieur du matériau par une zone fortement perturbée sur le plan cristallographique.
Si la technique de mélange ionique par bombardement de couches minces à l’aide d’ions lourds (Xe, Kr, Ar) n’a pas débouché sur de véritables
applications industrielles, l’implantation ionique d’azote, grâce au développement de nouvelles générations d’implanteurs de faible taille
et facilement adaptables sur des enceintes de traitement, a trouvé des applications intéressantes, notamment dans la connectique avec
l’amélioration substantielle des propriétés des dépôts d’or réalisés par voie galvanique.
La journée s’est terminée par une table ronde dont ont pu se dégager un certain nombre de pistes de réflexion et d’études,
parmi lesquelles on peut citer :
- le renfort des polymères par des fibres de verres métalliques, comparativement à ce qui se fait classiquement avec les fibres de silice,
- la résistance à l’impact des multimatériaux verre-alliage métallique, comparativement à des matériaux fragiles comme les céramiques et
des matériaux plus tenaces comme les aciers,
- le maintien des propriétés de résistance à la corrosion et à l’usure en fonction de la température et de la durée, avec la
limitation donnée par la température de transition vitreuse,
- la comparaison des revêtements amorphes obtenus par projection HVOF ou dynamique à froid et des revêtements céramique métal
obtenus par projection HVOF.
17 juin 2010 au CETIM :
Xéme Journée Technique « Innovez dans les Implants Orthopédiques »
Cette dixième journée organisée par le groupe de pilotage CETIM, ARDI Matériaux et Santé, OSST, PTM et CEM
a rassemblé au CETIM de Saint Etienne 130 personnes dont 50% d’industriels, 35% de représentants des centres techniques,
universitaires, et institutionnels, le reste, 15%, représentant les professions de santé.
La matinée a été consacrée aux innovations attendues par la profession. Elle a débuté par deux exposés de chirurgiens qui ont fait le bilan
des avancées dans le milieu hospitalier. L’amélioration des techniques d’imagerie et de navigation a permis, d’une part, de mieux cerner
l’environnement des prothèses et de personnaliser les implants, d’autre part, de réduire la durée des opérations. Avec une meilleure
compréhension du patient, il est possible maintenant de se diriger vers une implantation personnalisée avec phase préopératoire, détection
des anomalies et analyse des risques. Il s’agit donc bien d’une évolution vers une chirurgie individualisée, susceptible de réduire les
problèmes d’usure anormale des matériaux implantés.
Deux exposés ont ensuite été consacrés à la traçabilité des implants. Il s’agit d’une technologie transverse destinée à assurer les fonctions
d’identification, d’authentification, de localisation et de sécurisation, intégrée dans le système hospitalier. Son but est de sécuriser les
flux de production, la stérilisation et la mise à disposition, en conformité avec la réglementation. La technique le plus utilisée dans le
monde médical est le code 2D matriciel « Datamatrix » obtenu par gravage laser, micropercussion ou attaque chimique et lu par des terminaux
portables. On peut également citer l’émergence de la technique RFID avec tags actifs ou passifs, mais l’identifiant doit résister dans ce cas
aux problèmes environnementaux, à la stérilisation et doit pouvoir être lu à distance. La technique HF ou UHF est en effet très sensible à
l’environnement liquide et à la proximité de matériaux métalliques.
L’exposé suivant a été consacré au problème de dimensionnement des implants dans le but de réaliser un guide de conception et de réalisation
pour obtenir une meilleure fiabilité opérationnelle. Il s’agit d’une méthode adoptée par le CETIM à la demande du SNITEM pour adapter aux
prothèses orthopédiques la démarche fiabiliste de conception en fatigue utilisée dans d’autres industries comme le ferroviaire, l’aérospatial,
les téléphériques et les travaux publics. Un modèle statistique permettant de combiner les différents paramètres d’influence a été défini, il
en a été déduit une probabilité de défaillance admissible à dix ans, d’où un dimensionnement de l’implant. Cette méthode constitue une aide à
l’analyse du risque de rupture de l’implant, avec la prise en compte de contraintes comme la limitation des amplitudes de mouvement et permet
le développement d’implants personnalisés. Une application ultérieure à d’autres implants comme le genou, l’épaule ou le rachis est prévue.
Le dernier exposé de la matinée a été consacré aux plate formes partagées appliquées à la mécanique de précision et au médical pour la
fabrication des implants par usinage cinq axes au CETIM. Il s’agit d’un projet qui a débuté en 2008 pour une durée de trois ans avec un
certain nombre de partenaires dont la finalité est la réalisation de prototypes et de pièces unitaires avec mise en œuvre de gammes d’usinage
pour matériaux difficiles et nouveaux produits avec un taux d’utilisation machine de 70%. Une extension est prévue pour la période 2010/2012
avec une unité partagée de fraisage et de tournage et application au domaine médical.
L’après midi a été consacré à deux ateliers, la technologie des implants au service du patient et l’état d’avancement des céramiques et biocéramiques.
Quatre présentations ont été faites dans l’atelier sur la technologie des implants au service du patient, la première sur l’apport de la simulation numérique et les trois autres sur des innovations relatives aux matériaux. L’apport de la simulation est essentiel pour l’évaluation des efforts en liaison avec les différents mouvements et a une incidence notable sur le coût de la phase de réalisation de prototypes. Le traitement thermochimique d’apport de carbone à basse température sur acier inoxydable austénitique a été présenté : il s’agit d’un durcissement superficiel de l’acier sur 15 à 20µm sans revêtement superficiel qui améliore sensiblement ses propriétés tribologiques sans dégrader sa tenue à la corrosion. Le pyrocarbone a fait l’objet d’une présentation avec ses nombreux avantages, parfaite biocompatibilité, module d’Young voisi de celui de l’os, très bonne résistance à l’usure. Il est utilisé pour l’instant pour de petites pièces, mais son extension dimensionnelle pour la réalisation de prothèses de hanches pose encore des problèmes technologiques. Le dernier exposé de l’atelier a été relatif à la présentation de la technique de prototypage rapide appliquée au domaine médical. La création directe d’implants par fusion laser est possible, aussi bien sur matériaux métalliques que sur matières plastiques.
Cinq présentations ont été faites dans l’atelier relatif aux céramiques et biocéramiques. Le premier exposé réalisé par un chirurgien a montré les avantages de l’alumine, sur le plan de la mouillabilité et de la réduction des débris, avec un taux de fractures qui n’est pas plus important que sur les matériaux métalliques (14 cas sur 6500 prothèses en 30 ans). Le seul problème évoqué est la présence de bruits dans certains types de mouvements dont l’origine peut être un contact à sec. L’exposé suivant a été relatif aux céramiques bioactives avec les substituts osseux synthétiques de première génération (hydroxyapatite, phosphate tricalcique), de deuxième génération (composites avec une architecture et une chimie modulables), de troisième génération (hydroxyapatites carbonatée et silicatée) et de quatrième génération (ingénierie tissulaire). L’avenir est dans les substituts de quatrième génération qui sont plus adaptés aux larges pertes de substance. L’exposé suivant a été relatif à la description des différentes familles de céramiques utilisées dans l’orthopédie et le dentaire. Ont été passées en revue les différentes familles, alumine, zircone et composites alumine zircone avec l’évolution vers des tailles de grains plus fines et une augmentation des caractéristiques mécaniques. La compaction isostatique à chaud après frittage a permis d’apporter une amélioration sensible à ces différentes familles en supprimant toutes les porosités susceptibles de générer des débris et des fractures. La zircone et les composites zircone alumine, abandonnés pour les applications prothèses orthopédiques depuis 2001, suite à une décision de l’AFSSAPS, sont maintenant très bien implantées dans le dentaire.
Les deux derniers exposés de cet atelier ont été relatifs aux problèmes de fiabilité et de tenue aux chocs des implants céramique. Le premier exposé a montré qu’indépendamment des problèmes de rupture ayant entraîné l’abandon de cette céramique pour les implants orthopédiques en 2001, il y avait des problèmes de gonflement et de microfissurations avec émission de débris liés à des transformations structurales provoquant des variations de volume en présence d’eau. Les composites alumine zircone avec des tailles de grains comprises entre 100 et 500nm se sont fortement développés dans le dentaire, sous réserve d’un excellent état de surface. Ces composites ne sont toutefois pas complètement stabilisés et peuvent être affectés par les problèmes précédemment évoqués. Le deuxième exposé a présenté un simulateur de l’effet de choc dans la marche avec asservissement en déplacement sur prothèse en céramique et un couple céramique-céramique. Il a été trouvé comme dans la réalité des bandes d’usure avec une forte dégradation de la rugosité. Notons comme autre résultat une forte influence de la porosité de la céramique sur sa durée de vie.
